DE4120092C2 - Brennstoffzellen-Stromerzeugungseinrichtung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Brennstoffzellen-Stromerzeu­ gungseinrichtung mit einem oder mindestens vier Stapeln aus Brennstoffzellen, und insbesondere eine Brennstoffzellen-Stromerzeugungseinrichtung mit verbesserter Reaktionsgasversorgung und einem verbesserten Abgasmechanismus, wobei die wirksame Stromerzeugungsfläche nach Maßgabe des Lastverhältnisses gesteuert werden kann.

Aus der DE 33 35 638 A1 ist eine Brennstoffzelle bekannt, deren Elektroden anstelle einer rippenförmigen Struktur langgestreckte Löcher im wesentlichen im mittleren Elek­ trodenbereich zur Zuleitung von Wasserstoff und Sauerstoff aufweisen. Alle Löcher einer jeweiligen Elektrode werden beim Betrieb der Brennstoffzelle durchströmt.

In der DE 28 36 464 B2 ist eine Brennstoffzellen-Stromerzeugungseinrichtung offenbart, bei der in die Zufuhrleitungen für Wasserstoff und Sauerstoff steuerbare Ventile eingefügt sind. Hierbei wird dafür Sorge getragen, daß der in der Brennstoffzelle anstehende Wasserstoffstrom stets höher ist als der Sauerstoffdruck. Dieser Druckschrift sind hinsicht­ lich der Durchströmungsverhältnisse im Inneren der Brennstoffzelle keine näheren An­ gaben entnehmbar.

Aus der US 4 615 955 A ist eine Brennstoffzelle bekannt, bei der die Sauerstoffelektrode mit Durchgangskanälen ausgestattet ist, so daß der Sauerstoff nach Durchströmen der Katalysa­ torschicht zusammen mit den gebildeten Wassermolekülen aus der Brennstoffzelle austreten kann. Auch hier sind keine Maßnahmen zur Steuerung der Brennstoffzelle im Niedriglast­ bereich vorgesehen.

In der US 4 463 068 A ist eine Brennstoffzellenbatterie offenbart, bei der die einzelnen Brennstoffzellen mit Elektrolyt durch einen externen Elektrolyttank versorgt werden. Auch dieser Druckschrift sind keine speziellen Maßnahmen zur Steuerung der Brennstoffzellen im Niedriglastbereich entnehmbar.

Fig. 1 zeigt eine perspektivische Ansicht eines Beispiels für den Aufbau einer Einheitszelle einer bekannten Brenn­ stoffzelle (siehe z. B. US 4 623 596 A). Fig. 2 ist eine Draufsicht, die schematisch die herkömmliche Ausbildung eines Stapels von Brennstoffzellen veranschaulicht. Fig. 3 ist ein Blockdiagramm, welches in vereinfachter Form den bekannten Aufbau einer Brennstoffzellen- Stromerzeugungseinrichtung darstellt.

Gemäß Fig. 1 enthält eine Einheitszelle 100 eine ein Elektrolyt enthaltende Grundmasse (Matrix) 101, und ein eine Brennstoffelektrode 102 und eine Luftelektrode 103 umfassendes Elektrodenpaar, welches die Matrix 101 sandwichartig zwischen sich einschließt. Die beiden Elektroden 102 und 103 sind gasdurchlässig und auf ihrer mit der Matrix 101 in Berührung gelangenden Seite beide mit einer (nicht gezeigten) Elektrodenkatalysatorschicht versehen. An der der Matrix abgewandten Seite der Brennstoffelektrode 102 sind mehrere Brennstoffgaskanäle 102A in Form jeweils einer Nut ausgebildet. Andererseits sind auf der der Matrix abgewandten Seite der Luftelektrode 103 mehrere Luftkanäle 103A gebildet. Die Brennstoffkanäle 102 und die Luftkanäle 103 sind senkrecht zueinander orientiert.

Mehrere Einheitszellen 100 mit dem oben erläuterten Aufbau sind abwechselnd mit gasundurchlässigen Trennelementen 104 zur Bildung eines Brennstoffzellen-Stapels 1 geschichtet, wie dies schematisch in Fig. 2 dargestellt ist. Wie aus Fig. 2 hervorgeht, sind abgedichtet an den Seitenwänden des Stapels 1 dort, wo die beiden Enden einer Anzahl von Brennstoffgaskanälen 102A offen sind, ein Einlaß- beziehungsweise ein Auslaßverteiler 2A, 2B zum Zirkulieren des Brennstoffgases angebracht. Der Brennstoffgas-Einlaßverteiler 2A, der Brennstoffgas-Auslaßverteiler 2B und eine Anzahl von Brennstoffgaskanälen 102A bilden zusammen eine Brennstoffkammer 2. Weiterhin ist ein Paar Einlaß- und Auslaßverteiler 3A und 3B für die Luftzirkulation abgedichtet an den Stirnseiten des Stapels 1 befestigt, die senkrecht zu den Stirnseiten orientiert sind, an denen die Verteiler 2A und 2B abgedichtet angebracht sind. Der Lufteinlaßverteiler 3A, der Luftauslaßverteiler 3B und eine Anzahl von Luftkanälen 103A bilden zusammen eine Luftkammer 3.

In dem Stapel 1 mit dem oben beschriebenen Aufbau ist gemäß Fig. 3 die Brennstoffkammer 2 an einen Brennstoffreformer 5 angeschlossen. Brennstoffgas wie beispielsweise fossiler Brennstoff oder Kohlenwasserstoff-Gas, das in einem Rohmaterialtank 4 gespeichert ist, wird mittels einer Pumpe 8A dem Reformer 5 zugeleitet. Durch die Dampfreforming-Reaktion in dem Reformer 5 erzeugtes, wasserstoffreiches Brennstoffgas GF wird in die Brennstoffkammer 2 geleitet. Außerdem wird Luft GA zur Reaktion über ein Gebläse 8C der Luftkammer 3 zugeführt, während Abluft OA aus der Luftkammer 3 ausgelassen wird. Damit erfolgt in dem Stapel 1 aufgrund der elektrochemischen Reaktion zwischen dem Paar von Elektroden 102 und 103 eine elektromotorische Reaktion, und der erzeugte elektrische Strom wird einer Last 9 zugeführt, nachdem seine Ausgangsstrom-Wellenform, -Spannung und dergleichen mit Hilfe eines Leistungstransformators 6 eingestellt wurde. Das aus der Brennstoffkammer 2 abgeleitete Abgas GO wird einem Brenner des Brennstoffreformers 5 zugeleitet und mit von dem Gebläse 8B zugesetzter Luft zur Verbrennung vermischt. Die so erzeugte Wärme wird als Wärmequelle für die Reaktionswärme benutzt, die für die Dampfreforming- Reaktion erforderlich ist. Eine Steuervorrichtung 7 steuert die Brennstoffverarbeitungsapparatur einschließlich des Leistungstransformators 6, des hauptsächlich durch das Gebläse 8C gebildeten Luftzuführers, des Brennstofftanks 4, der Pumpe 8, des Brennstoffreformers 5 und des Luftgebläses 8B. Die Steuereinrichtung 7 steuert außerdem, jeweils abhängig von der von der Last 9 angeforderten Leistung, die Menge der von dem Stapel 1 erzeugten Leistung, die Ausgabe des elektrischen Stroms aus dem Leistungstransformator 6 und dergleichen.

Grundsätzlich gibt es einige beschränkende Bedingungen beim Betrieb der Brennstoffzellen-Stromerzeugungseinrichtung. Eine dieser Bedingungen besteht darin, daß die Brennstoffzelle keinem hohen Potential (0,8 V/Zelle und darüber) bei hoher Temperatur (etwa 130°C oder höher) ausgesetzt werden darf. Der Grund ist folgender: Die Katalysatorschicht der Elektroden der Brennstoffzelle besteht aus einem Katalysatormaterial, welches sich aus Platin oder einer Platinlegierung zusammensetzt, die von feinen Kohlenstoffpartikeln, zum Beispiel Ruß, getragen wird, wobei die Katalysatorschicht auf den Elektrodenpartikeln aus Platin oder Platinlegierung die Neigung hat, sich aufzulösen und erneut abzulagern. Diese erneute Ablagerung führt zu einer Vergröberung der Partikel des Platins oder der Platinlegierung unter gleichzeitiger Verringerung der Oberfläche des Platins, das heißt der Reaktionsoberfläche. Aufgrund des hohen Potentials werden außerdem feine Kohlenstoffpartikel, die auf ihrer Oberfläche Platin oder eine Platinlegierung tragen, in der Katalysatorschicht korrodiert. Als Ergebnis dieser Korrosion wird Platin von der Katalysatorschicht entfernt, so daß die Reaktionsoberfläche (die Oberfläche des Platins) in der Katalysatorschicht abnimmt. Mit einer Abnahme der Reaktionsoberfläche bei dem hohen Potential gemäß obiger Erläuterung, kommt es naturgemäß zu einer Beeinträchtigung der Eigenschaften der Brennstoffzelle.

Bei Brennstoffzellen nimmt die Ausgangsspannung V mit einer Zunahme des Ausgangsstroms I ab, was man als V-I-Verhalten bezeichnet. Wenn der Ausgangsstrom I einen Wert von beispielsweise nicht mehr als 25% des Nennstroms (im folgenden als "nicht mehr als 25% des Lastfaktors" bezeichnet) beträgt, übersteigt die Spannung der Einheitszelle 0,8 V, und die Einheitszelle wird einem hohen Potential ausgesetzt. In dem herkömmlichen Stapel, in welchem das Reaktionsgas GF und die Reaktionsluft GA gleichmäßig durch mehrere Einheitszellen über die gesamte Elektrodenoberfläche strömen und darüber hinaus Ströme senkrecht zueinander fließen, wie dies in Fig. 2 gezeigt ist, läßt es sich nicht vermeiden, daß jede Einheitszelle einem hohen Potential ausgesetzt ist, welches die erwähnte 0,8 V/Zelle erreicht und übersteigt, wenn eine geringe Last bei einem Lastfaktor von nicht mehr als 25% vorhanden ist. Deshalb war es notwendig, eine geeignete Gegenmaßnahme zu ergreifen, um zu verhindern, daß der Lastfaktor auch unter Niedriglastbedingungen auf 25% oder weniger abnimmt. Beispielsweise wurde ein Entladewiderstand an die Ausgangsseite des Stapels 1 über einen Stapel angeschlossen, um den größten Teil des Ausgangsstroms zu dem Entladewiderstand zu leiten, damit der scheinbare Lastfaktor nicht auf 25% oder darunter absinken konnte. Allerdings hat diese Gegenmaßnahme den Nachteil, daß der Verbrauch an reformiertem Brennstoff ansteigt, da erzeugter Strom vergeudet wird, so daß der Wirkungsgrad bei der Stromerzeugung abnimmt. Weiterhin benötigt man bei der erwähnten Gegenmaßnahme zusätzlich zu dem Entladewiderstand einen Schalter und weitere Teile sowie deren Steuerungen, wegen der Verschwendung elektrischer Energie, was zu einer Zunahme der Größe der Stromerzeugungseinrichtung führt. In jüngeren Brennstoffzellen wurde die Batterieleistung heraufgesetzt, um den technischen Entwicklungen wie zum Beispiel der Verwendung eines höheren Gasdrucks des Reaktionsgases, Rechnung zu tragen. Aus diesem Grund nahm die Ausgangsspannung der Brennstoffzellen etwas zu, so daß die Einheitszellen noch häufiger einem hohen Potential von mehr als 0,8 V/Zelle selbst bei einem Lastfaktor von 50% oder darüber, insbesondere aber bei 25% und weni­ ger, ausgesetzt sind.

Eine Aufgabe der Erfindung ist es, eine Brennstoffzellen- Stromerzeugungseinrichtung anzugeben, bei der keine unnütze Energie erzeugt wird.

Daneben soll das Auftreten hoher Potentiale unter Niedriglastbedingungen vermieden werden.

Zur Lösung dieser Aufgabe sind die in den Patentansprüchen 1 bzw. 3 angegebenen Merkmale vorgesehen. Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Das Maß der Zufuhr von Brennstoffgas oder Reaktionsluft zu jedem der Verteiler auf der Seite der Einlaßabschnitte kann auf eine ausgewählte Stufe von Niedriglastfaktor-Stufen eingestellt und nach jedem vorbestimmten Betriebs- Zeitintervall weitergeschaltet werden.

Vorzugsweise sind mehrere Brennstoffgaskanäle und mehrere Luftkanäle in einem einzelnen Stapel jeweils durch unterteilte Verteiler in eine Gruppe von Brennstoffgaskanälen und eine Gruppe von Luftkanälen unterteilt, wobei die unterteilten Kanäle in jeder Gruppe parallel zueinander verlaufen, wobei die Kombination aus den unterteilten Brennstoffgaskanälen und den unterteilten Luftkanälen, die momentan die Reaktionsgase zu liefern vermögen, abhängig von der Stufe des Lastfaktors des Systems geändert werden kann. Diese Konstruktion bildet Brennstoffgasströme und Reaktionsluftströme, die einander lediglich in überlappenden Abschnitten zwischen den unterteilten Brennstoffgaskanälen und den unterteilten Reaktionsluftkanälen rechtwinklig kreuzen und eine Verbrennnungsreaktion nur in den Überlappungsbereichen ermöglichen. Dadurch ist es möglich, die effektive Leistungserzeugungs- Oberfläche in dem Brennstoffzellen-Stapel zu steuern. Wenn beispielsweise der Verteiler in zwei Komponenten (Teilerzahl=2) unterteilt wird, so läßt sich die effektive Stromerzeugungsoberfläche in drei Stufen variieren, das heißt in das 1/4fache der gesamten Oberfläche, das 1/2fache der gesamten Oberfläche und schließlich die gesamte Oberfläche. Durch Auswahl der effektiven oder wirksamen Stromerzeugungsfläche aus den drei Stufen und durch geeignetes Umschalten derart, daß der Lastfaktor nicht höher als 25%, 25% bis 50% und 50% bis 100% beträgt, läßt sich eine Steuerung erzielen, bei der die durch den Stapel erzeugte Energie schrittweise abhängig von dem Lastfaktor erzeugt wird. Deshalb lassen sich erfindungsgemäß solche Last­ faktorbereiche, in denen die Gefahr besteht, daß die Einheitszellen des Stapels höheren Potentialen als 0,8 V/Zelle ausgesetzt werden, beträchtlich reduzieren. Weiterhin führt das Wechseln von Abschnitten, die als effektive Stromerzeugungsfläche in jedem vorbestimmten Zeitintervall dienen, zu einer gleichmäßigen Lebensdauer der Gesamtfläche jeder Einheitszelle.

Bei Anordnungen mit vier oder mehr Brennstoffzellen-Stapeln führt die Reihenschaltung der Brennstoffgaskanäle und Luftkanäle von mindestens zwei der Brennstoffzellen-Stapel an Reaktionsgas-Versorgungseinheiten zu der gleichen Funktion, wie sie durch die Verwendung des oben erläuterten Einzel-Brennstoffzellen-Stapels erreicht wird.

Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine perspektivische Ansicht eines Beispiels für den Aufbau der Einheitszelle einer bekannten Brennstoffzelle,

Fig. 2 eine schematische Ansicht eines herkömmlichen Brennstoffzellen-Stapels,

Fig. 3 ein Blockdiagramm einer herkömmlichen Anlage einer Brennstoffzellen-Stromerzeugungseinrichtung,

Fig. 4 eine schematische Skizze der Reaktionsgaskammer des Brennstoffzellen-Stapels in der Stromerzeugungseinrichtung gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung,

Fig. 5 eine schematische Ansicht des Brennstoffzellen-Stapels, wobei der Zustand der Reaktionsgaszufuhr bei Niedriglastfaktor des ersten Ausführungsbeispiels der Erfindung dargestellt ist,

Fig. 6 eine schematische Ansicht des Brennstoffzellen-Stapels, wobei der Zustand der Reaktionsgaszufuhr bei einem mittleren Lastfaktor bei einem Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt ist,

Fig. 7 eine schematische Ansicht des Brennstoffzellen-Stapels, wobei der Zustand der Reaktionsgaszufuhr bei einem hohen Lastfaktor gemäß einer Ausführungsform der Erfindung dargestellt ist,

Fig. 8 eine Spannungs-Lastfaktor-Kennlinie der Einheitszelle gemäß einer Ausführungsform der Erfindung,

Fig. 9 eine Gasströmungs-Skizze, die den Gasstrom bei mehreren Stapeln einer Brennstoffzellen-Stromerzeugungseinrichtung gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung veranschaulicht,

Fig. 10 eine Gasströmungs-Skizze, die den Gasstrom bei mehreren Stapeln bei einem gewissen Lastfaktor bei einem anderen Ausführungsbeispiel der Erfindung veranschaulicht, und

Fig. 11 eine Gasströmungs-Skizze, die den Gasstrom bei mehreren Stapeln bei einem anderen Lastfaktor in einer anderen Ausführungsform der Erfindung veranschaulicht.

Ausführungsbeispiel 1

Fig. 4 zeigt schematisch eine Querschnittsdarstellung der Reaktionsgaskammer des Brennstoffzellen-Stapels der Brennstoffzellen- Stromerzeugungseinrichtung gemäß der ersten Ausführungsform der Erfindung. Fig. 5, 6 und 7 sind schematische Ansichten, die die Zustände der Reaktionsgaszufuhr bei verschiedenen Lastfaktoren erläutern. In den Fig. 4 bis 7 sind ein einlaßseitiger Verteiler 2A und ein auslaßseitiger Verteiler 2B für die Zufuhr beziehungsweise Abfuhr eines Brennstoffgases GF (eine Gaskomponente eines Reaktionsgases), welches den Brennstoffkanälen (102A in Fig. 1) des Stapels 1 zugeführt wird, im Inneren durch eine Verteilertrennwand 12 senkrecht zur Schichtungsrichtung der Einheitszelle (das heißt in Gasströmungsrichtung) in zwei Verteilerabschnitte aufgeteilt. Andererseits sind durch eine Verteilertrennwand 13 in ähnlicher Weise ein einlaßseitiger Verteiler 3A und ein diesem paarweise zugeordneter auslaßseitiger Verteiler 3B für die Zufuhr und die Abfuhr von Reaktionsluft GA (eine andere Gaskomponente des Reaktionsgases) aufgeteilt. Demzufolge sind mehrere Brennstoffgaskanäle 102A und mehrere Reaktionsgaskanäle 103A, jeweils in Form einer Nut, die mit dem Verteiler strömungsverbunden sind, durch die Trennplatten 12 beziehungsweise 13 in zwei Gruppen unterteilt. Damit definieren die Verteiler 2A und 2B und die Brennstoffgaskanäle 102 gemeinsam eine Brennstoffgaskammer, die ebenfalls in zwei unterteilte Komponenten- Brennstoffgaskammern (oder Gaskammern) 21 und 22 unterteilt sind. In ähnlicher Weise wird eine durch die Verteiler 3A und 3B und die Luftkanäle 103A definierte Reaktionsluftkammer in zwei unterteilte Luftkammern (Gaskammern) 31 und 32 getrennt. Jede der unterteilten Gaskammern 21, 22, 31 und 32 besitzt zugehörige Einlässe und Auslässe für die Zufuhr beziehungsweise die Abfuhr des Reaktionsgases und ist jeweils einlaßseitig und auslaßseitig mit einem (nicht gezeigten) Steuerventil ausgestattet, welches als Durchsatz- Steuereinrichtung dient, die den Mengendurchsatz des Reaktionsgases steuert. Die Zufuhr und die Abfuhr des Reaktionsgases, das heißt des Brennstoffgases GF oder der Reaktionsluft GA, läßt sich auf Ein-Aus-Basis dadurch steuern, daß man die Steuerventile abhängig von den Lastfaktoren des Systems öffnet oder schließt.

Wenn gemäß Fig. 5 die Steuerventile derart betätigt werden, daß die unterteilte Brennstoffkammer 21 und die abgeteilte Luftkammer 31 mit Brennstoffgas GF beziehungsweise mit Reaktionsgas GA versorgt werden, bilden das Brennstoffgas GF und die Reaktionsluft GA Ströme, die senkrecht zueinander über die Elektroden verlaufen, und zwar nur in dem gestrichelt schraffierten Abschnitt innerhalb des Elektroden- Oberflächenbereichs des Stapels 1. Als Ergebnis verringert sich die wirksame Stromerzeugungsfläche 10 auf etwa 1/4 der Elektroden-Gesamtfläche.

Wenn gemäß Fig. 6 das Reaktionsgas in die abgeteilten Brennstoffkammern 21 und 22 und die abgeteilte Luftkammer 31 geleitet wird, beträgt die effektive Stromerzeugungsfläche 10 etwa das 1/2fache der gesamten Elektroden-Oberfläche.

Wenn gemäß Fig. 7 das Reaktionsgas zu sämtlichen abgeteilten Brennstoffkammern 21 und 22 und abgeteilten Luftkammern 31 und 32 geleitet wird, dient die gesamte Elektroden-Oberfläche als wirksame Stromerzeugungsfläche 10.

Beim vorliegenden Ausführungsbeispiel läßt sich die effektive Stromerzeugungsfläche 10 des Stapels in drei Stufen oder Schritten von 1/4, 1/2 und 1/1 der gesamten Elektroden- Oberfläche einstellen und umschalten, indem man die Art und Weise ändert, in der das Reaktionsgas in die abgeteilten Gaskammern gelangt. Wenn der Schaltvorgang beim Umschalten der Reaktionsgas-Zufuhrgeschwindigkeit in drei Stufen des Lastfaktors durchgeführt wird, das heißt nicht höher als 25%, 25% bis 50% und 50% bis 100%, so erfolgt ein Betrieb bei der Stromerzeugung entsprechend einem Lastfaktor von nicht mehr als 25%, 25% bis 50% und 50% bis 100%.

Fig. 8 ist eine grafische Darstellung, die die Spannungs- Lastfaktor-Kennlinie der Einheitszelle dieser Ausführungsform veranschaulicht. In Fig. 8 ist die Kennlinie des herkömmlichen Brennstoffzellen-Stapels durch eine gestrichelte Linie angedeutet. Man sieht, daß die Spannung der Einheitszelle 800 mV bei einem Lastfaktor von nicht mehr als 25% übersteigt. Bei der Kennlinie der vorliegenden Ausführungsform jedoch werden hohe Spannungen, die einen Wert von 800 mV übersteigen, nicht eher erzeugt, als bis der Lastfaktor auf 7% oder darunter absinkt. Da die Stromerzeugungseinrichtung Energie für Hilfseinrichtungen in der Größenordnung von einigen Prozent bei einem so niedrigen Lastfaktor verbraucht, hat die erfindungsgemäße Stromerzeugungseinrichtung den Vorteil, daß sie keine hohen Potentiale erzeugt, die fast keine Beeinträchtigung der Kennlinie der Brennstoffzellen verursachen, während die Anlage außerdem mit einem Entladungswiderstand ausgestattet ist, um die Erzeugung derartiger hoher Potentiale zu verhindern, und die Einrichtung braucht keinen Strom zu erzeugen, der möglicherweise als "Abfall" verbraucht wird. Es wird also Brennstoff eingespart.

Weiterhin vermag die Brennstoffzelle in der Stromerzeugungseinrichtung nach dieser Ausführungsform die wirksame Oberfläche zu variieren, die momentan für die Stromerzeugung benötigt wird, und zwar abhängig von Schwankungen der an die Anlage angeschlossenen Last. Wenn die Zeiten, in denen ein Abschnitt der gesamten Elektroden-Oberfläche tatsächlich für die Stromerzeugung gebraucht wird, von Abschnitt zu Abschnitt erheblich schwanken, so ergeben sich Differenzen in der jeweiligen Restlebensdauer bei den Abschnitten der Brennstoffzelle. Abträgliche Einflüsse auf die jeweilige Restlebensdauer der Brennstoffzelle lassen sich dadurch vermeiden, daß man die Zufuhr und Abfuhr des Reaktionsgases so steuert, daß die Kombination der unterteilten Brennstoffkammer und unterteilten Luftkammer für die Zufuhr des Reaktionsgases jeweils nach einer vorbestimmten Zeitspanne, zum Beispiel alle 200 Stunden, geändert wird.

Ausführungsbeispiel 2

Fig. 9 zeigt eine Gasstromskizze, die den Gasstrom in mehreren Stapeln einer Brennstoffzellen-Stromerzeugungseinrichtung gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung veranschaulicht. Fig. 10 und 11 veranschaulichen die Zufuhr des Reaktionsgases bei verschiedenen Lastfaktoren innerhalb dieser Brennstoffzellen-Stromerzeugungseinrichtung. Gemäß Fig. 9 enthält die Anlage vier Brennstoffzellen-Stapel 51A, 51B, 51C und 51D. Zwei in Reihe geschaltete Brennstoffkammern 52A und 52B werden dadurch gebildet, daß die jeweiligen Brennstoffgaskammern in den Stapeln 51A und 51B sowie 51C und 51D durch Rohrleitungen in Reihe geschaltet sind. In ähnlicher Weise werden zwei in Reihe geschaltete Luftkammern 53A und 53B dadurch gebildet, daß die jeweiligen Luftkammern in den Stapeln 51A und 51C beziehungsweise 51B und 51D durch Rohre in Reihe geschaltet sind. Jeder Auslaß der in Reihe geschalteten Kammern ist mit einem (nicht gezeigten) Steuerventil (Durchsatzsteuereinrichtung) ausgestattet, so daß durch Umschalten eine Kombination der in Reihe geschalteten Brennstoffkammern und in Reihe geschalteten Luftkammern herstellbar ist, die tatsächlich das Reaktionsgas liefert. Wenn gemäß Fig. 9 das Reaktionsgas GF in die in Reihe geschalteten Brennstoffkammern 52A und 52B eingeleitet wird, während die Reaktionsluft GA in die in Reihe geschalteten Luftkammern 53A und 53B geleitet wird, so werden sich senkrecht kreuzende Ströme aus Brennstoffgas und Reaktionsluft in den Einheitszellen sämtlicher vier Brennstoffzellen-Stapel gebildet, und mithin tragen die vier Stapel insgesamt zur Stromerzeugung bei.

Wenn gemäß Fig. 10 das Reaktionsgas in die in Serie geschalteten Brennstoffkammern 52A und die in Serie geschalteten Luftkammern 53A geleitet wird, werden sich senkrecht kreuzende Ströme lediglich im Stapel 51A gebildet, und die Anzahl von Stapeln, die wirklich zur Stromerzeugung beitragen, ist auf eins beschränkt.

Weiterhin führt gemäß Fig. 11 das Einleiten des Reaktionsgases in die in Reihe geschalteten Brennstoffkammern 52A und in die beiden in Serie geschalteten Luftkammern 53A und 53B zu einer Begrenzung der zu der Stromerzeugung beitragenden Stapel auf lediglich zwei Stapel, das heißt auf die Stapel 51A und 51B.

Indem man das Reaktionsgas in die Kombination aus Gaskammern gemäß Fig. 9, Fig. 10 oder Fig. 11 einleitet, wobei der Durchsatz abhängig von einem Lastfaktor 50% bis 100%, nicht mehr als 25% oder 25% bis 50% gesteuert wird, läßt sich der Lastfaktor des zu der Stromerzeugung beitragenden Stapels ähnlich wie beim Ausführungsbeispiel 1 erhöhen, so daß nicht nur die Gefahr verringert wird, daß die Einheitszellen hohen Potentialen ausgesetzt werden, sondern auch ein hoher Wirkungsgrad bei der Stromerzeugung erzielt wird, weil die Menge des Reaktionsgases abhängig von der Änderung des Lastfaktors geändert werden kann.

Das Umschalten der Kombination der in Serie geschalteten Brennstoffkammern und in Serie geschalteten Luftkammern, denen das Reaktionsgas bei niedrigen Lastfaktoren während jeweils einer vorbestimmten Zeitspanne zugeführt wird, vergleichmäßigt die jeweilige Restlebensdauer der Stapel und ist deshalb von Vorteil.

Wie aus der obigen Beschreibung hervorgeht, ist die erfindungsgemäße Brennstoffzellen-Stromerzeugungseinrichtung derart aufgebaut, daß ein einzelner Brennstoffzellen-Stapel mehrere unterteilte Brennstoffkammern und mehrere unterteilte Luftkammern aufweist, oder daß mehrere Brennstoffzellen- Stapel so miteinander verbunden sind, daß Brennstoffkammern und Luftkammern in Reihe geschaltet sind, um mehrere in Reihe geschaltete Brennstoffkammern und mehrere in Reihe geschaltete Luftkammern zu erhalten, wobei das Reaktionsgas selektiv den abgeteilten Brennstoffkammern und abgeteilten Luftkammern zugeführt wird, oder ausgewählten, in Reihe geschalteten Brennstoffkammern oder in Reihe geschalteten Luftkammern zugeführt wird, wobei die Auswahl abhängig vom Zustand des Lastfaktors abhängt. Damit ist es möglich, schrittweise die Oberflächengröße der Elektroden oder die Anzahl von Stapeln zu ändern, die momentan einen Beitrag zu der Stromerzeugung leisten, und zwar in Abhängigkeit des Lastfaktors der Anlage. Hierdurch wird das Problem gelöst, das bei herkömmlichen Anlagen darin besteht, daß ein Herabfahren des Lastfaktors auf einen Wert von nicht mehr als 25% in einer Zunahme der Einheitszellen- Spannung auf einen Wert von mehr als 0,8 V führte, mit der Folge, daß die Elektroden-Mittelschicht beeinträchtigt und damit die Leistungsfähigkeit der Brennstoffzelle herabgesetzt wurde. Da die konventionelle Gegenmaßnahme zum Vermeiden des Auftretens hoher Spannungen durch Bereitstellen eines Entladungswiderstands zu einer unerwünschten Energieverschwendung führte, lassen sich erfindungsgemäß höhere Stromerzeugungs-Wirkungsgrade mit der erfindungsgemäßen Brennstoffzellen-Stromerzeugungseinrichtung erzielen, ohne daß dabei die Beeinträchtigung durch hohe Potentiale auch bei geringen Lasten erfolgt.

Gemäß der Erfindung wird die Niedriglastzone, in der der Lastfaktor des tatsächlich an der Stromerzeugung beteiligten Abschnitts auf einen Wert von 50% oder darüber gehalten werden kann, beträchtlich erhöht. Deshalb schafft die vorliegende Erfindung eine Brennstoffzellen-Stromerzeugungseinrichtung, die auch dann keine Beeinträchtigung der Elektroden durch Überspannung verursacht, wenn die Lastfaktorzone auf einen Bereich ausgedehnt wird, in welchem die derzeit als praktische Obergrenze angesehenen 0,8 V überschritten werden, zum Beispiel aufgrund möglicher technologischer Entwicklungen, die der Verbesserung der Ausgangsspannung der Einheitszelle und der Verwendung höherer Drücke der Reaktionsgase.

Die jeweilige Restlebensdauer der Brennstoffzelle, die mit der Betriebszeit allmählich abnimmt, läßt sich von Einheitszelle zu Einheitszelle vereinheitlichen, indem man das Umschalten der Kombination von abgeteilten Brennstoffkammern und abgeteilten Luftkammern oder ausgewählter Stapel nach vorbestimmten Zeitintervallen steuert.

Claims (4)

1. Brennstoffzellen-Stromerzeugungseinrichtung mit
einem Brennstoffzellen-Stapel (1) aus einem Laminat mehrerer Einheitszellen, die jeweils eine Brennstoffelektrode (102) und eine Luftelektrode (103) aufweisen,
einer Brennstoffverarbeitungseinrichtung zum Zuführen eines Brennstoffgases zu der Brennstoffelektrode jeder der Einheitszellen in dem Brennstoffzellen-Stapel (1),
einer Luftzufuhreinrichtung zum Zuführen von Reaktionsluft zu der Luftelek­ trode (103) in dem Brennstoffzellen-Stapel (1),
einem Leistungstransformator (6) zum Einstellen der Ausgangsleistung des Brennstoffzellen-Stapels und zum Einspeisen der Ausgangsleistung in eine Last (9),
mehreren Brennstoffgaskanälen (102A), die an jeder der Einheitszellen auf der Seitenfläche der Brennstoffzelle gebildet sind und jeweils einen Einlaß und einen Auslaß besitzen, und mehreren Reaktionsluftkanälen (103A), die an jeder der Einheitszellen auf der Seitenfläche der Luftelektrode (103) gebildet sind und jeweils einen Einlaß und einen Auslaß besitzen, wobei die Brennstoffgaskanäle senkrecht zu den Luftkanälen verlaufen, und
einem Paar erster Verteiler (3A, 3B), einer an einer Seite des Einlasses und der andere an einer Seite des Auslasses jedes der Luftkanäle vorgesehen ist, und einem Paar zweiter Verteiler (2A, 2B), von denen einer an einer Seite des Einlasses und der andere an einer Seite des Auslasses jedes der Brennstoffgaskanäle (102A) vor­ gesehen ist,
wobei jeder erste und der zweite Verteiler jeweils mehrere Verteilerabschnittskom­ ponenten aufweist, die in Strömungsrichtung des Brennstoffgases oder der Reaktionsluft unterteilt sind, und
jede der Verteiler-Abschnittskomponenten mit einer Durchsatzsteuereinrichtung ausgestattet ist, um den Durchsatz in jedem der Verteiler-Abschnittskomponenten zu steuern.

2. Brennstoffzellen-Stromerzeugungseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Durchsatzsteuereinrichtung das Ausmaß der Zufuhr von Brennstoffgas und Reaktionsluft zu jeder der Verteiler-Abschnittskomponenten so steuert, daß die Zufuhr von Brennstoffgas und Reaktionsluft auf eine ausgewählte Stufe von Niedriglastfaktoren eingestellt ist und daß nach jeweils einer vorbestimmten Betriebsdauer eine Umstellung der Brennstoffgas- und Reaktionsluftzufuhr erfolgt.

3. Brennstoffzellen-Stromerzeugungseinrichtung, mit
mindestens vier Brennstoffzellen-Stapel (51A, 51B, 51C, 51D), die jeweils aus einem Laminat aus mehreren Einheitszellen bestehen, die ihrerseits jeweils eine Brenn­ stoffelektrode und eine Luftelektrode besitzen,
einer Brennstoffverarbeitungseinrichtung zum Zuführen eines Brennstoffgases zu der Brennstoffelektrode jeder der Einheitszellen in jedem der vier Brennstoffzellen- Stapel,
einer Luftzufuhreinrichtung zum Zuführen von Reaktionsluft zu der Luftelek­ trode in jeder Einheitszelle in jedem der Brennstoffzellen-Stapel,
einem Leistungstransformator (6) zum Einstellen der Ausgangsleistung jedes Brennstoffzellen-Stapels und zum Einspeisen der Ausgangsleistung in eine angeschlossene Last (9),
mehreren Brennstoffgaskanälen, die in jeder der Einheitszellen der Brennstoff­ zelle auf deren Seitenfläche ausgebildet sind und jeweils einen Einlaß und einen Auslaß besitzen,
mehreren Reaktionsluftkanälen, die an jeder Einheitszelle auf der Seite der Luftelektrode gebildet sind und jeweils einen Einlaß und einen Auslaß besitzen, wobei die Brennstoffgaskanäle senkrecht zu den Luftkanälen verlaufen,
einem Paar erster Verteiler, von denen einer an einer Seite des Einlasses und der andere an einer Seite des Auslasses von jedem Luftkanal vorgesehen ist, und
einem Paar zweiter Verteiler, von denen einer an einer Seite des Einlasses und der andere an einer Seite des Auslasses jedes Brennstoffkanals angeordnet ist,
wobei bei mindestens zwei der mindestens vier Brennstoffzellen-Stapel (51A, 51B, 51C, 51D) die Brennstoffgaskanäle und Reaktionsgaskanäle jeweils in Reihe geschal­ tet sind, um eine in Reihe geschaltete Brennstoffgaskanal-Anordnung mit einem Einlaß und einem Auslaß sowie eine in Reihe geschaltete Reaktionsgaskanalanordnung mit einem Einlaß und einem Auslaß zu bilden, und
wobei die ersten Verteiler an den jeweiligen Seiten des Einlasses und des Auslasses der in Reihe geschalteten Brennstoffgaskanal-Anordnung und die zweiten Verteiler an den jeweiligen Seiten des Einlasses und des Auslasses der in Reihe geschalte­ ten Reaktionsluftkanalanordnung jeweils mit einer Durchsatzsteuereinrichtung zum Steuern der Strömungsrate von jedem ersten und zweiten Verteiler ausgestattet sind.

4. Brennstoffzellen-Stromerzeugungseinrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Durchsatzsteuereinrichtung das Ausmaß der Zufuhr von Brennstoffgas oder Reaktionsluft zu jedem der Verteiler auf der Seite der Einlässe so steuert, daß die Zufuhr von Brennstoffgas oder Reaktionsluft auf eine ausgewählte Stufe von Niedriglastfaktoren eingestellt ist, und daß nach jeweils einer vorbestimmten Betriebszeit­ spanne eine Umstellung der Brennstoffgas- und Reaktionsluft­ zufuhr erfolgt.